自適應接觸區(qū)壓力的磨削液供給系統(tǒng)設計*

陳 鑫 修世超 陳子冬 諶龍飛 劉曉理

?

自適應接觸區(qū)壓力的磨削液供給系統(tǒng)設計*

陳 鑫 修世超 陳子冬 諶龍飛 劉曉理

（東北大學 機械工程與自動化學院 110819）

磨削加工過程中由于砂輪高速旋轉(zhuǎn)將在砂輪周圍產(chǎn)生高速氣流場，氣流場會阻礙磨削液進入到接觸區(qū)，影響磨削液的冷卻、潤滑和清洗砂輪效果。砂輪周圍的氣流場與砂輪轉(zhuǎn)速有著密切聯(lián)系，在砂輪轉(zhuǎn)速改變時，其氣流場的壓力分布也隨之變化。傳統(tǒng)的磨削液通常采用定參數(shù)供給方法，而未充分考慮砂輪速度對磨削液注入效果的影響，造成有效磨削液比例很低，由此也造成磨削工藝綠色度不高。在對砂輪氣流場的壓強與速度分布分析的基礎上，提出了一種與砂輪轉(zhuǎn)速自適應的磨削液供給方法，優(yōu)化設計磨削液供給液流路線，并使用光電編碼器和單片機實現(xiàn)了磨削液智能供給，完成了系統(tǒng)設計。

磨削液 仿真 自適應 供液系統(tǒng)

磨削是一種重要的機械加工方法，同時也是機械制造過程中對環(huán)境和資源影響最大的一種加工工藝。磨削過程中產(chǎn)生的磨削液排放、粉塵污染、熱污染、噪聲污染對環(huán)境造成了極大的破壞[1]。尤其是實際生產(chǎn)中磨削液的粗放型使用和無序排放對環(huán)境的危害最為嚴重。而傳統(tǒng)磨削加工過程中，磨削液加注方法往往根據(jù)經(jīng)驗定參數(shù)提供磨削液，這使得大部分磨削液都沒有進入到接觸區(qū)。這是因為隨著砂輪的高速旋轉(zhuǎn)，在砂輪圓周表面和側(cè)面產(chǎn)生高壓氣流層，使得磨削液難以進入接觸區(qū)[2]。

通常將阻礙磨削液進入到接觸區(qū)的氣流場稱作“氣障”。相關實驗表明，砂輪轉(zhuǎn)速越高，氣障的阻礙作用越大，磨削液越不容易進入到接觸區(qū)[3]。因此，隨著砂輪轉(zhuǎn)速改變，如果不及時調(diào)整磨削液供給參數(shù)，就會導致大量磨削液無法進入到接觸區(qū)，從而不能起到潤滑和冷卻的效果。實際生產(chǎn)中也只有少量的磨削液進入到接觸區(qū)內(nèi)，大部分磨削液不能起到冷卻與潤滑作用而造成磨削液的浪費。

隨著高速、超高速磨削技術的快速發(fā)展，沿用傳統(tǒng)的供液方式顯然已不適用。為改善現(xiàn)行的磨削液供給系統(tǒng)存在的高能耗、高污染的缺點，提出通過采集砂輪速度及其氣流層壓強數(shù)據(jù)，以此為依據(jù)調(diào)節(jié)磨削液供給速度和壓力，形成一種自適應磨削液供給系統(tǒng)。并最大限度的保證磨削液的使用效率，最大程度的減少磨削液帶來的污染，保證零件加工質(zhì)量，符合綠色制造技術的發(fā)展趨勢[4-6]。

1 對接觸區(qū)氣流層壓力及其分布的分析

在磨削加工中，砂輪旋轉(zhuǎn)會造成周圍空氣場擾動，在旋轉(zhuǎn)砂輪周邊產(chǎn)生一個空氣附著層，阻礙著磨削液進入接觸區(qū)。砂輪轉(zhuǎn)速越高，這種氣體附著層的阻礙作用越明顯，磨削液也就越難進入到接觸區(qū)中去。此外，在平面磨削加工中，砂輪與工件之間會形成一個楔形間隙，砂輪的轉(zhuǎn)動除會形成氣流層外，還會在楔形入口處，形成一定的返回氣流，嚴重阻礙了磨削液進入到接觸區(qū)。

1.1 湍流模型分析

目前廣泛應用的是Spalart-Allmaras（SA）模型。它假設湍流粘性系數(shù)滿足流場中的標量方程，并基于量綱分析給出了方程形式及系數(shù)。SA模型的假設前提是各向同性的均勻湍流，而在旋轉(zhuǎn)等非均勻湍流問題的計算中會存在較大的誤差。帶旋流的realizable k-epsilon模型的好處是對于平板和圓柱射流的發(fā)散比率有更加精確地預測。它對于旋轉(zhuǎn)流動、強逆壓梯度的邊界層流動、流動分離和二次流有較好的表現(xiàn)。因而選用realizable k-e模型對Navier-Stokes equations進行封閉。

1.2 砂輪邊界層的數(shù)值模擬

1.2.1 模型的建立

磨削過程中，由于砂輪氣孔率和磨粒突出高度不同等因素的影響，砂輪和工件在接觸區(qū)實際上存在最小間隙，并由此實現(xiàn)磨削液的冷卻和沖洗作用。由于要分析砂輪周圍氣流場端面方向上的某一點的氣體壓強和速度，故可建立簡化的二維模型，以此來研究氣流場的壓強和速度。表1為參數(shù)構建模型，模型如圖1所示。

表1 砂輪模型建立尺寸 單位：mm

圖1 砂輪及其氣流場建模

1.2.2 速度場分析

對流場初始化并迭代計算后，可得到仿真結(jié)果。其中，磨削接觸區(qū)氣流場的速度分布云圖如圖2所示?？梢钥闯?，在旋轉(zhuǎn)砂輪外圍形成一層氣流，并在工件與砂輪構成的楔形區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了返回氣流，阻礙了磨削液進入到接觸區(qū)。圖3為接觸區(qū)速度的矢量圖，也展示了入口速度返回氣流的分布，其箭頭方向代表了氣流速度方向。在接觸區(qū)入口上方，氣流速度方向與砂輪旋轉(zhuǎn)方向相同；而在入口下方，空氣流動速度方向與砂輪旋轉(zhuǎn)方向相反，該速度阻礙著磨削液進入到接觸區(qū)去。因此在設置噴嘴時，噴嘴位置應盡量設置在入口上方，即避開返回氣流。

圖2 速度場云圖

圖3 速度矢量圖

1.2.3 氣流壓力場的分析

圖4、圖5分別為氣流場的壓力云圖和磨削接觸區(qū)局部放大壓力云圖。由圖4可以看出，磨削氣流場大部分區(qū)域的壓強與大氣壓強相等；圖5表示了接觸區(qū)附近的壓力分布情況，由于砂輪與工件之間存在一定的間隙，在接觸區(qū)入口處的空氣壓力較大，而在接觸區(qū)出口處（靠近砂輪，最小間隙處）出現(xiàn)了一定的負壓。在接觸區(qū)入口的較大空氣壓力阻礙了磨削液進入到接觸區(qū)，削弱了冷卻潤滑效果。

圖4 應力場云圖

圖5 楔形間隙應力場放大云圖

可見，旋轉(zhuǎn)砂輪周圍的氣流場的壓強和速度，與砂輪線速度存在密切關系。其氣流場的壓強和速度也是阻礙磨削液進入到接觸區(qū)的主要原因。

2 磨削液供給參數(shù)計算及液流回路方案設計

2.1 磨削液液流回路方案設計

為了滿足射流突破氣障所需要的速度和壓力，設計了如圖6所示的磨削液供給回路。

圖6 供液系統(tǒng)回路

2.2 磨削液供給參數(shù)計算與分析

針對不同的加工條件，磨削液供給的參數(shù)也不盡相同。在工程實際中，往往是增大供液壓力和流量，從而使更多的磨削液能夠突破氣流層進入到接觸區(qū)中，以起到潤滑和帶走熱量的功用。

（1）根據(jù)等壓力原理，應滿足不等式>P，即

（2）假設噴嘴出口處所需最小流量min,噴嘴處出口面積為0，噴嘴局部壓力損失系數(shù)ξ0，則出口流速v是：

噴嘴處局部壓力損失為

（3）若設1為從調(diào)速閥到噴嘴之間的管路長度，由上述式子可得調(diào)速閥出口壓力為

由于=min，流量可表示為

（4）單向閥壓力損失Δ3

從泵出口到調(diào)速閥入口管路長度為2,則從泵出口到調(diào)速閥入口處局部壓力損失為

（5）泵的輸入功率為

3 電氣系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)方案設計

電氣系統(tǒng)的整體設計思路是由光電編碼器測量出磨床主軸轉(zhuǎn)速，輸入進單片機做比較判斷，比較之后輸出信號控制變頻器，以達到控制泵電機的轉(zhuǎn)速的目的，如圖7所示。

（1）采用光電編碼器測量磨床主軸的轉(zhuǎn)速，得到一個方波，通過測量單片機單位時間內(nèi)IT0口上升沿個數(shù)，以得到主軸轉(zhuǎn)速。關于光電編碼器的工作原理這里不展開討論，只針對本項目的需要，進行轉(zhuǎn)速的測量與計算。電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度的檢測實際上是基于轉(zhuǎn)速檢測實現(xiàn)的。采用基于光電編碼器的M法測量轉(zhuǎn)速，在規(guī)定時間T內(nèi)，輸入脈沖有個，對于每轉(zhuǎn)有個脈沖的電機轉(zhuǎn)速為

于是得到了砂輪線速度與編碼器脈沖的關系。編碼器測液壓泵電機主軸的轉(zhuǎn)速，其轉(zhuǎn)速計算公式與計算磨床主軸轉(zhuǎn)速相同。

（2）選用通訊端口為RS232的變頻器來實現(xiàn)泵電機的變頻調(diào)速，并根據(jù)RS232通訊協(xié)議進行編程。使用單片機控制變頻器可以采用通訊口方式控制，這種方法控制功能全面，通過相應的電平轉(zhuǎn)換電路適合變頻器的通訊口形式，就可與變頻器進行通訊，硬件簡單，二者間的連線數(shù)量少連接方便。

圖7 系統(tǒng)設計

3.2 主程序流程

圖8 主程序設計流程

4 結(jié)語

研究結(jié)果表明，氣流場的壓力和速度隨著砂輪轉(zhuǎn)速的增大而增大，對磨削液的阻礙作用也越明顯。面向綠色制造建立了一種能夠自適應砂輪轉(zhuǎn)速的磨削液智能供給方法，實現(xiàn)了磨削液供給參數(shù)隨氣流場參數(shù)變化而改變。根據(jù)具體工況條件，可以在不影響工件質(zhì)量的前提下，實現(xiàn)磨削液最小量供給，提高加工過程的綠色水平。

[1] 修世超,馮強,王瑤.磨削工藝綠色度評價指標體系及影響因素分析[J].金剛石與磨料磨具工程,2007(6):60-63.

[2] Simul Banerjee,Sujit Ghosal,Tanmay Dutta.Development of a simple technique for improving the efficacy of fluid flow through grinding zone[J].Journal of Material Processing Tec,2007,197(1):306-313.

[3] 李長河,原所先,李虎等.接觸區(qū)內(nèi)氣流場速度和壓力分布規(guī)律的研究進展[J].金剛石與磨料磨具工程,2004(6):31-34.

[4] Schumach M R,Chung Jin-Bok,Schultz W W.Analysis of fluid flow under a grinding wheel[J].Journal of Engineering for Industry,1991(1):190-197.

[5] Eduardo Garcia,ligo Pombo,Jose Antonio Sanchez.Reduction of oil and gas consumption in grinding technology using high pour-point lubricants[J].Journal of Cleaner Production,2013(6):99-108.

[6] 霍文國,徐九華,傅玉燦.綠色磨削加工技術研究現(xiàn)狀及進展[J].工具技術,2011,45(9):3-6.

沈陽市科技計劃項目編號：F13-316-1-59